Japanse onderzoekers hebben een goedkoop en overvloedig materiaal zó weten te verbeteren dat het lithium in batterijen kan vervangen. Hun doorbraak maakt natrium-ionbatterijen niet alleen betaalbaarder, maar ook duurzamer én veel stabieler.
In de zoektocht naar duurzame en betaalbare alternatieven voor lithium-ionbatterijen, hebben wetenschappers uit Japan een veelbelovende stap voorwaarts gezet. Door het gebruik van een aangepast kathodemateriaal op basis van mangaanoxide, zijn ze erin geslaagd om zowel de prestaties als de levensduur van natrium-ionbatterijen aanzienlijk te verbeteren.
Deze ontwikkeling kan grote gevolgen hebben voor toepassingen in onder meer elektrische voertuigen, consumentenelektronica en grootschalige netopslag.
Volgens de studie, gepubliceerd in Advanced Materials, ligt de sleutel in de stabilisatie van een specifieke kristalstructuur van natriummangaanoxide. Door gebruik te maken van koperdoping wisten de onderzoekers zogeheten stacking faults – structurele defecten die het batterijmateriaal instabiel maken – effectief te onderdrukken. Hierdoor ontstaat een robuustere batterij die zelfs na 150 laadcycli nauwelijks capaciteitsverlies vertoont.
Natrium als overvloedig alternatief voor lithium
Lithium-ionbatterijen domineren al jaren de markt voor energieopslag, maar ze brengen ook uitdagingen met zich mee: hoge kosten, beperkte beschikbaarheid en geopolitieke afhankelijkheden in de toeleveringsketen. Natrium (Na) daarentegen is het zesde meest voorkomende element op aarde en vele malen goedkoper dan lithium.
Toch hadden natrium-ionbatterijen tot nu toe te kampen met technische obstakels, met name op het gebied van kathodematerialen. De stabiliteit en capaciteit tijdens lange laad- en ontlaadcycli vormden een hardnekkig probleem – tot nu.
De rol van kristalstructuur
De Japanse onderzoekers, onder leiding van professor Shinichi Komaba van de Tokyo University of Science, richtten zich op het materiaal natriummangaanoxide (NaMnO₂), en met name op de zogenaamde β-fase. Deze structuur – gekenmerkt door zigzaglagen van vervormde MnO₆-octaëders – biedt in theorie een uitstekende basis voor kathodematerialen. In de praktijk leidde de noodzakelijke hoge synthese-temperaturen echter tot natriumtekorten en defecten in de kristalstructuur.
De zogeheten stacking faults (SF’s), veroorzaakt door glijdende kristalvlakken, bleken een grote boosdoener: ze zorgden voor snel capaciteitsverlies en belemmerden het begrip van de materiaaleigenschappen. De onderzoekers ontdekten echter dat door koper (Cu) als dopant toe te voegen, deze defecten drastisch konden worden teruggedrongen.
Stabiele Na-ionbatterijen
Het doperen van β-NaMnO₂ met koper resulteerde in een stabiele kristalstructuur die bestand is tegen volumeveranderingen tijdens het laden en ontladen. Het prototype-materiaal, NMCO-12 genaamd, vertoonde geen capaciteitsverlies na 150 cycli – een significante prestatie ten opzichte van eerdere versies.
Deze vinding biedt niet alleen een oplossing voor technische beperkingen, maar draagt ook bij aan het verkleinen van de afhankelijkheid van zeldzame en dure metalen zoals lithium, kobalt en nikkel.
Mogelijke revolutie
De verbeterde natrium-ionbatterijen kunnen een revolutie betekenen in diverse sectoren. Doordat natrium en mangaan goedkoop en wereldwijd beschikbaar zijn, kunnen deze batterijen grootschalig worden ingezet – bijvoorbeeld in energieopslagsystemen voor wind- en zonne-energie, of als goedkoper alternatief in elektrische voertuigen.
Volgens professor Komaba: “Dankzij de lage kosten en brede beschikbaarheid van natrium en mangaan biedt deze technologie een kans op betaalbare en duurzame energieopslag, van consumentenapparaten tot grootschalige infrastructuur.”
Is natrium-ion de toekomst?
Hoewel lithium-ionbatterijen voorlopig nog niet van het toneel verdwijnen, toont dit onderzoek aan dat natrium-iontechnologie een serieuze kanshebber is voor grootschalige toepassing. Vooral in markten waar kosten en beschikbaarheid doorslaggevend zijn, biedt deze technologie een duurzaam alternatief.
De doorbraak in materiaalonderzoek rond β-NaMnO₂ en koperdoping vormt een solide basis voor verdere opschaling en commercialisering. De verwachting is dat bedrijven en overheden in de komende jaren fors zullen investeren in deze technologie, mede gezien de geopolitieke risico’s rondom lithium.
De nieuwe inzichten in de kristalstructuur en dopering van natriummangaanoxide zouden wel eens het kantelpunt kunnen zijn voor natrium-ionbatterijen. Met een langere levensduur, hogere stabiliteit én lagere kosten, is de weg vrij voor een toekomst waarin duurzame energieopslag niet langer afhankelijk is van schaarse grondstoffen.
